李璐璐，姚宣，肖凡，張縵，金燕，楊海瑞

(1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西太原，030024；2.清華大學(xué)能源與動力工程系，電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室，北京，100084；3.北京國電龍源環(huán)保工程有限公司，北京，100039)

我國大部分燃煤發(fā)電機組采用石灰石?石膏濕法脫硫技術(shù)，脫硫后飽和濕煙氣攜帶大量水資源及低溫余熱，濕煙氣的直接排放不僅造成資源浪費，而且會引發(fā)一系列環(huán)保問題，如“石膏雨”“白煙”等[1?5]。脫硫濕煙氣中的水蒸氣含量高是引發(fā)上述問題的原因，因此，降低脫硫系統(tǒng)出口煙氣含濕量是解決以上問題的重要方法[6?8]。噴淋塔作為最早的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一，具有氣液接觸面積大、煙氣流動阻力小、占地面積小等優(yōu)點[9?10]。噴淋設(shè)備與冷凝技術(shù)聯(lián)用可實現(xiàn)水資源與低溫?zé)煔庥酂岬幕厥誟11?13]，減少因煙氣含濕量高而造成的環(huán)境問題[14?15]。因此，合理優(yōu)化冷凝室結(jié)構(gòu)、正確理解濕煙氣噴淋冷凝過程的傳熱、傳質(zhì)及相變規(guī)律，對于提高噴淋冷凝效果、降低設(shè)備成本具有重要意義[16]。

大量學(xué)者對直接接觸熱質(zhì)交換進行了研究[17?22]。蔡全福等[23]對煤氣洗凈塔內(nèi)流場進行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)隨著液氣比增加，出口煤氣溫度降低幅度逐漸減緩。鮑玲玲等[24]研究了噴淋室噴水方向?qū)馑疅豳|(zhì)交換的影響，發(fā)現(xiàn)向上噴淋比向下噴淋的傳熱傳質(zhì)效率更高。林瑜等[25]對大型脫硫塔內(nèi)不同噴淋層的運行方式進行數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)隨著噴淋層數(shù)增加，煙溫與原煙氣初始溫相比下降速度加快。XU 等[26]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)液滴尺寸分布的差異隨液滴半徑的增加而減小。上述研究大多集中在冷凝室運行參數(shù)。目前，對噴淋冷凝室內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化尚存在一些不足，如：因噴嘴個數(shù)過少造成噴淋密度過小，導(dǎo)致氣液傳熱傳質(zhì)不均勻；或因冷凝室高度不合理，造成氣液接觸時間少，兩相換熱難度增加：或因噴淋層布置結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致噴淋層之間湍流流動弱。

本文作者以噴淋冷凝室為研究對象，利用Fluent 軟件，基于湍流擴散理論、傳熱傳質(zhì)理論[27?29]等，充分考慮氣液兩相耦合作用，對冷凝室內(nèi)流場分布進行數(shù)值模擬。對不同噴嘴密度、噴淋層間布置、冷凝室高度進行數(shù)值模擬和性能分析，并提出容積冷凝負荷的概念，從而確定脫硫濕煙氣冷凝優(yōu)化條件，以期為噴淋冷凝室的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

本文采用三維穩(wěn)態(tài)SIMPLE算法進行計算，應(yīng)用k?ε雙方程模型描述氣相湍流模型，氣液兩相流模擬采用歐拉?拉格朗日方法，即在歐拉系下處理連續(xù)相(氣相)，在拉格朗日系下處理離散相(液滴)。對煙氣和液滴的兩相流進行如下簡化：1)經(jīng)脫硫后進入冷凝室的氣體為飽和濕煙氣；2)假設(shè)液滴為球形，不考慮液滴的碰撞、破碎及合并，不考慮液滴夾帶；3)將煙氣視為不可壓縮黏性流體，忽略其溫度變化對密度的影響；4)假定冷凝室壁面絕熱，煙氣與噴淋液滴進行對流換熱。

1.1 煙氣連續(xù)相湍流模型

本文將煙氣視為連續(xù)、定常、不可壓縮流體，湍流黏性系數(shù)和k?ε模型方程表達式分別為：

式中：μt為湍流黏度系數(shù)，kg/(m·s)；ρ為氣體密度，kg/m3；Cμ為常數(shù)，k為湍流脈動動能，m2/s2；ε為耗散率；t為時間，s；ui為速度矢量u在直角坐標(biāo)系i方向上的分量；xi和xj為位移坐標(biāo)；μ為流體黏度，Pa·s；Gk為由層流速度梯度而引起的湍流動能，kJ；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能，kJ；YM為可壓縮湍流中擴散產(chǎn)生的波動，kJ；C1ε，C2ε和C3ε為常量，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；σk和σε為方程中的湍流Prandtl數(shù)，σk=1.0，σε=1.3，Sk和Sε為用戶自定義參數(shù)。

1.2 液滴離散相模型

通過積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程即可獲得離散相顆粒的軌道。本文模擬忽略次要作用力，故顆粒的作用力平衡方程在笛卡兒坐標(biāo)系下可表示為

式中：up為顆粒速度，m/s；u為連續(xù)相速度，m/s；gx為外力對液滴顆粒的加速度，m/s2；ρp為顆粒密度，kg/m3；fx為附加加速度項，m/s2；fD(u?up)為液滴顆粒的曳力作用項，m/s2。

1.3 氣液傳熱傳質(zhì)模型

由熱量傳遞方程可知氣液間熱傳遞由煙氣與液滴表面的對流顯熱傳熱和煙氣中水蒸氣冷凝潛熱共同決定。

式中：mp為液滴質(zhì)量，kg；Cp為離散相比熱容，J/(kg·K)；Tp為離散相溫度，K；h為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ap為液滴表面積，m2；T∞為遠離液滴的煙氣溫度，K；hfg為汽化潛熱，J/kg。

由質(zhì)量傳遞方程可知連續(xù)相中水蒸氣的冷凝量由梯度擴散決定，即從氣相向離散相液滴的擴散率和氣流與液滴之間的蒸汽濃度梯度相關(guān)聯(lián)。

式中：D為水蒸氣擴散系數(shù)，m2/s；dp為液滴直徑，m；M為水蒸氣摩爾質(zhì)量，kg/mol；R為通用氣體常數(shù)，J/(mol·K)；P∞為遠離液滴的水蒸氣分壓，Pa；Ps(Tp)為液滴表面水蒸氣分壓，Pa；Re為雷諾數(shù)；Sc為施密特數(shù)。

對于氣相與顆粒之間的耦合模型，本文采用雙向耦合模型。離散相與連續(xù)相的雙向耦合是通過求解連續(xù)相控制方程和離散相運動方程來實現(xiàn)的，直到兩相不再隨著迭代的進行而變化為止。

2 計算方法

本文針對煙氣在冷凝室內(nèi)的流動情況進行模擬。在中試試驗中，冷凝室煙氣量為7 500 m3·h?1，冷凝室直徑為1 m，氣液兩相接觸部分高度為3.2 m，兩噴淋層間距為1 m，噴嘴角度為30°，噴淋液速度為21 m·s?1，液氣比為2 L·m?3，入口煙氣溫度為323 K，噴淋水溫度為303 K，填料高度為0.6 m，材質(zhì)為PP，型號為Y250。

2.1 模型簡化及邊界條件

對冷凝室設(shè)定作以下基本假設(shè)：1)只研究煙氣與噴淋水接觸部分的傳熱傳質(zhì)；2)忽略冷凝室內(nèi)小阻件對流場的影響；3)漿池部分不納入計算區(qū)域；4)將填料部分簡化為多孔介質(zhì)模型。

簡化后的冷凝室模型如圖1所示。濕煙氣由底部進入，入口速度為3 m/s。采用雙層噴淋布置，噴嘴類型為cone，噴射方向與煙氣流動方向相反，360°噴射液滴。頂層噴淋布置最高處距底面3.2 m，底層噴淋布置在頂層噴淋下方1 m處，每個噴嘴質(zhì)量流量為0.11 kg/s，噴霧液滴平均粒徑為210 μm，粒徑分布采用Rosin?Rammler方式。冷凝室底部為速度入口，頂部為壓力出口，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面，液滴在壁面處設(shè)置為Reflect。噴淋水由噴嘴進入冷凝室后，為延長氣液接觸時間，達到更好換熱效果，還在距離煙氣入口0.4 m處布置填料層進行換熱。

圖1 冷凝室簡化模型Fig.1 Simplified model of condensation chamber

2.2 模型驗證

采用ICEM軟件對模型進行網(wǎng)格劃分。整個模型均采用六面體網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，各模型網(wǎng)格數(shù)大約為70 萬個。表1所示為出口煙氣溫度模擬值與實驗值對比，由表1可知，在液氣比范 圍 為0.5～4.0 L·m?3時，相對誤差絕對值為3.61%～9.13%。由表1還可知，在噴淋液溫度為298～313 K 時，相對誤差絕對值為3.23%～4.07%。由于出口煙氣溫度實驗值與模擬值總體相差不大，故認為建模合理。

表1 不同條件下出口煙氣溫度模擬值與實驗值對比Table 1 Comparison of simulated and experimental values of outlet flue gas temperature under different conditions

3 模擬結(jié)果與分析

經(jīng)濕法脫硫后煙氣中水蒸氣含量迅速增加，通過氣液兩相直接接觸，降低氣相溫度，使得其達到露點溫度，從而降低煙氣中水蒸氣含量。為優(yōu)化冷凝室結(jié)構(gòu)，對比研究不同噴嘴密度、不同噴淋層間布置、不同冷凝室高度下的冷凝結(jié)果，并對其進行分析。

3.1 不同噴嘴密度下冷凝結(jié)果

在其他運行參數(shù)不變的情況下，液氣比為2 L/m3時，不同噴淋密度下冷凝結(jié)果分別如圖2～3 所示，由圖2～3可知；隨著噴淋層中噴嘴數(shù)量的增加，在冷凝室中經(jīng)填料部分后，出口煙氣溫度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢；當(dāng)噴嘴密度約為19個/m2時，熱流體溫度效率達到70%，出口煙氣溫度最低，氣液之間換熱效果最好。熱流體溫度效率即為熱流體溫降與兩流體進口溫差的比值，這項指標(biāo)直觀地從能量利用角度反映了冷凝室的傳熱性能。當(dāng)噴嘴密度小于19個/m2時，隨著噴嘴密度增加，出口煙氣溫度降低，熱流體溫度效率升高，這是因為增大噴嘴密度使得噴淋水覆蓋面積增加，氣液接觸面積增加，為傳熱傳質(zhì)創(chuàng)造了有利條件；當(dāng)噴嘴密度大于19個/m2時，噴淋密度過大，大量液滴對煙氣造成強烈沖擊，使得煙氣流動方向發(fā)生改變，煙氣流場不均勻，能量損失增加，熱質(zhì)交換效果惡化，熱流體溫度效率隨之降低。因此，合理的噴淋密度有利于氣液傳熱傳質(zhì)，進而達到更好的冷凝效果。

圖2 不同噴嘴密度下冷凝結(jié)果Fig.2 Condensation results under different nozzle densities

圖3 不同噴嘴密度下煙氣流場Fig.3 Flue gas streamline under different nozzle densities

3.2 不同噴淋層相對位置下冷凝效果

在噴嘴密度為19個/m2時，考察在冷凝室中經(jīng)填料部分后，噴淋層相對位置對冷凝效果的影響。噴淋層不錯層時頂部與底部噴淋層布置均如圖4(a)所示，上下兩噴淋層除布置高度外，其他條件完全一樣；噴淋層錯層時頂部噴淋層布置如圖4(a)所示，底部噴淋層布置如圖4(b)所示，即底層噴淋是以頂層噴淋為基準(zhǔn)，定圓心旋轉(zhuǎn)30°而得到。圖5所示為噴淋層布置對流場分布的影響。從圖5可見：發(fā)生錯層現(xiàn)象后，噴淋水覆蓋率增加，使得氣液接觸更均勻，煙氣降溫速度加快，錯層后出口煙氣溫度可以再降低0.32 K。由于錯層布置不需額外花費資金，操作簡單，故在可能的條件下，錯層布置可達到良好的冷凝效果。

圖4 噴淋層間相對布置圖Fig.4 Relative arrangement of spray layers

3.3 不同冷凝室高度下冷凝結(jié)果

圖5 噴淋層間相對布置流場圖Fig.5 Flow field diagram of relative arrangement between spray layers

分別將冷凝室總高度設(shè)置為2.2，2.7，3.2，3.7和4.2 m，即頂層噴淋布置在冷凝室最高處，兩噴淋層相對位置為1 m，對其進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可見：在冷凝室中經(jīng)填料部分后，當(dāng)冷凝室高度增加時，出口煙氣溫度先降低后增加，故在此模型中存在最佳冷凝室高度，此高度為3.2 m；在冷凝室高度由2.2 m 增加至3.2 m 時，出口煙氣溫度降低，這是因為隨著冷凝室高度的增加，使得煙氣與液滴之間的接觸時間增加，煙氣的顯熱和潛熱更多釋放給液滴，煙氣溫度降低，含濕量降低；在冷凝室高度由3.2 m增加至4.2 m 時，雖然煙氣在冷凝室中停留時間長，但由于冷凝室高度的增加使得煙氣在冷凝室中流場不均勻，煙氣形成了局部渦流，導(dǎo)致部分煙氣與液滴接觸不均勻，最終造成出口煙氣溫度較高的現(xiàn)象。故在其他條件不變的情況下，將冷凝室高度布置為3.2 m，可達到最佳的冷凝效果。

圖6 不同冷凝室高度下冷凝結(jié)果Fig.6 Condensation results under different condensation chamber heights

由圖6還可知，容積冷凝負荷隨冷凝室高度增加而降低，但降低幅度逐漸變緩。容積冷凝負荷即單位體積內(nèi)所能處理的換熱量。此項指標(biāo)過小，煙氣在冷凝室中停留時間過短，不能保證氣液兩相充分接觸，從而影響冷凝效果。此項指標(biāo)過大，會增加金屬消耗量，投資成本增加。在本次模擬中，當(dāng)冷凝室高度為3.2 m 時，容積冷凝負荷適中，既不需投入大量成本，又可增強傳熱傳質(zhì)效果。故結(jié)合冷凝效果和經(jīng)濟性，將冷凝室高度設(shè)置為3.2 m最合理。

4 結(jié)論

1)對于600 MW鍋爐煙氣量的試驗裝置，冷凝室內(nèi)每層噴嘴最佳密度為19個/m2，每小時至少可回收95 t水量。當(dāng)噴嘴密度太小時，噴淋覆蓋面積小造成氣液兩相換熱面積小，最終出現(xiàn)出口煙氣溫度較高和熱流體溫度效率低的情況；當(dāng)噴嘴密度過大時，不僅投資成本增加，氣液兩相強烈撞擊造成煙氣流場的不均勻以及能量損失，最終使傳熱傳質(zhì)效率降低，出口煙氣溫度高。故選擇合適的噴淋密度，不僅可以節(jié)約成本，而且可以帶來良好的冷凝效果。

2)在其他運行參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，兩噴淋層間錯層布置，有效增加了噴淋密度，使得氣液兩相接觸面積增加，有利于熱質(zhì)交換，出口煙氣溫度再降低0.32 K，在不額外耗費資金的基礎(chǔ)上實現(xiàn)水資源和熱能的回收。

3)當(dāng)冷凝室高度增加時，出口煙氣溫度先降低后增加，故存在最佳冷凝室高度。在此模型中，最佳高度為3.2 m。當(dāng)冷凝室高度太小時，煙氣與液滴之間的接觸時間過短，煙氣的顯熱和潛熱難以在短時間內(nèi)釋放給液滴；當(dāng)冷凝室高度太大時，煙氣形成了局部渦流，導(dǎo)致部分煙氣與液滴接觸不均勻，最終出現(xiàn)出口煙氣溫度較高和容積冷凝負荷太小的現(xiàn)象。結(jié)合容積冷凝負荷與出口煙氣溫度雙重指標(biāo)，在此模型中將冷凝室高度布置為3.2 m最合理。